Design och implementering av en skräddarsydd Robotic Manipulator för extra kroppsliga ultraljud

Summary

Detta paper introducerar utformningen och genomförandet av en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning. Systemet har fem grader av frihet med lätta leder gjorts av 3D-utskrifter och en mekanisk koppling för säkerhetsorganisation.

Abstract

Med potential för hög precision, fingerfärdighet och repeterbarhet, kan ett själv spårade robotsystem användas för att hjälpa förvärvet av realtid ultraljud. Dock har begränsat antal robotar utformad för extra kroppsliga ultraljud översatts korrekt till klinisk användning. I denna studie vill vi bygga en skräddarsydd robotic manipulator för extra kroppsliga ultraljudsundersökning, som är lätta och har ett litet fotavtryck. Roboten bildas av fem specialformade länkar och skräddarsydda gemensamma mekanismer för sonden manipulation, att täcka de nödvändiga rörelseomfång med redundanta frihetsgrader att säkerställa patientens säkerhet. Mekanisk säkerhet framhävs med en kopplingsmekanism, att begränsa den kraft som anbringas till patienter. Till följd av konstruktion, manipulatorn totala vikt är mindre än 2 kg och längden på manipulatorn är ca 25 cm. Designen har genomförts, och simulering, phantom och frivilliga studier, för att validera rörelseomfång, förmågan att göra finjusteringar, mekanisk tillförlitlighet och säker drift av kopplingen. Detta papper Detaljer utformningen och genomförandet av den skräddarsydda robotic ultraljud manipulatorn, med design och montering metoder illustrerad. Test resultat att demonstrera designfunktioner och klinisk erfarenhet av att använda systemet presenteras. Slutsatsen är att den nuvarande föreslagna robotic manipulatorn uppfyller kraven som skräddarsydda system för extra kroppsliga ultraljudsundersökning och har stor potential att översättas till klinisk användning.

Introduction

Ett extra kroppsliga robotic ultraljud (US) system refererar till konfigurationen där en robotarm-system används för att hålla och manipulera en US sond för externa undersökningar, inklusive dess användning inom hjärt, kärl, obstetrisk och allmänna buk imaging¹ . Användningen av sådana ett robotsystem är motiverad av utmaningarna som manuellt hålla och manipulera en US sond, exempelvis utmaningen att hitta amerikanska standardvyer krävs av kliniska imaging protokoll och risken för repetitiva stam skada^{2, 3,4}, och också av oss screeningprogram behov, exempelvis kravet på upplevt sonografer för att vara på plats^5,6. Med eftertryck på olika funktioner och målet anatomier, har flera amerikansk robotsystem, som granskas i tidigare verk^1,7,8, införts sedan 1990-talet, att förbättra olika aspekter av US undersökning (t.ex., långväga teleoperation^9,10,11,12, samt robot-operatör interaktion och reglerteknik)^{13, 14}. Förutom de robotsystem US används för diagnostiska ändamål, fokuserade robotic hög intensitet ultraljud (HIFU) system för syften behandling har undersökts allmänt som sammanfattas av Priester et al. ¹, med vissa senaste verk^15,16 rapportering de senaste framstegen.

Även om flera amerikansk robotsystem har utvecklats med förhållandevis pålitlig teknik för kontroll och klinisk drift, har endast ett fåtal av dem framgångsrikt översatts till klinisk användning, såsom ett kommersiellt tillgängliga tele-ultraljud system ¹⁷. en möjlig orsak är den låga nivån för godkännande av stora industriella utseende robotar arbetar i en klinisk miljö, från synpunkt av både patienter och sonografer. Dessutom för säkerhetsarbetet åberopa majoriteten av de befintliga amerikanska robotarna force-sensorer för att övervaka och kontrollera den tillämpade trycket till US sonden, medan mer grundläggande mekaniska säkerhetsmekanismer för att begränsa kraften passivt inte är vanligtvis tillgängliga . Detta kan också orsaka oro när översätta till klinisk användning som säkerheten robot verksamheten skulle vara rent beroende av elektriska system och programvarulogik.

Med de senaste framstegen i 3D skulle kunna utskrift tekniker, speciellt formad plast länkar med skräddarsydda gemensamma mekanismer ge en ny möjlighet för utveckla skräddarsydda medicinska robotar. Noggrant utformade lättviktskomponenter med ett kompakt utseende kunde förbättra klinisk acceptans. Specifikt för amerikanska undersökning, bör en skräddarsydd medicinsk robot som syftar till att översätts till klinisk användning vara kompakt, med tillräckligt frihetsgrader (DOFs) och rörelseomfång att täcka regionen i intresse av en scan; till exempel buk ytan, inklusive både i toppen och på sidorna av magen. Dessutom bör roboten omfattar också förmågan att utföra finjusteringar av US sonden i ett lokalt område, när du försöker att optimera en USA-vy. Detta inkluderar vanligtvis vippande rörelser av sonden inom ett visst intervall, som föreslagits av Essomba et al. ¹⁸ och Bassit¹⁹. För att ytterligare hantera säkerhetsproblemen, förväntas det att systemet bör ha passiva mekaniska säkerhetsdetaljer som är oberoende av elektriska system och programvarulogik.

I detta papper presentera vi metoden för detaljerad utformning och montering av en 5-DOF fingerfärdiga robotic manipulator, som används som en viktig del av en extra kroppsliga amerikansk robotsystem. Manipulatorn består av flera lätta 3D-printable länkar, skräddarsydda gemensamma mekanismer och en inbyggd säkerhetskoppling. Den särskilda ordningen av DOFs ger full flexibilitet för sonden justeringar, möjliggör enkel och säker verksamhet i ett litet område utan att kollidera med patienten. Föreslagna multi-DOF manipulatorn syftar till att fungera som den viktigaste komponenten som är i kontakt med patienter och det kan enkelt fästas med någon konventionell 3-DOF global positioning mekanism att bilda en komplett USA robot med fullt aktiv DOFs utföra en genomsökning av USA.

Protocol

1. beredning av varje länk, slutet-effektor och ytterligare komponenter, Skriva ut alla länkar (L0, L1, L2, L3och L4) och de slut-effektor som visas i figur 1, med akrylnitril butadien styren (ABS) plast, polylactic acid (PLA) plast eller nylon, med en 3D-utskrift service. Använda den. STL-filer som avses i de Kompletterande material vid utskrift.Obs: Ändringar i form och omfattningen av varje del kan g…

Representative Results

Efter protokollet är resulterande systemet en robotic manipulator med fem specialformade länkar (L0 L4) och fem bakåtrullade leder (J1 -J5) för att flytta, holding, och lokalt luta en US sond (figur 8). Det översta rotation gemensamt (J1), med växel mekanismer aktiveras av fyra motorer, kan rotera följande strukturer 360 °, för att tillåta amerikanska sonden pekar mot olika sidor av skanningsomr…

Discussion

Till skillnad från många andra industriella robotar som har översatts till medicinska tillämpningar, var föreslagna robotic manipulatorn beskrivs i protokollet särskilt utformad för amerikanska undersökningar enligt kliniska krav för rörelseomfång, tillämpning av kraft och säkerhetsledning. Lätta robotic manipulatorn själv har ett brett utbud av rörelser tillräckligt för de flesta extra kroppsliga US skanning, utan behov av stora rörelser av mekanismen för global positionering. Som närmast mekanisk s…

Materials

3D-printed link L0	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L1	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L2	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L3	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed link L4	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
3D-printed end-effector	3D printing service	1	As shown in Figure 1, with the STL file provided
20-teeth spur gear	3D printing service	12	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
18-teeth bevel gear	3D printing service	2	0.5 module, 5 mm face width, with mounting keyway, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type A)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting keyway, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type B)	3D printing service	2	0.5 module, 6 mm face width, with detent holes, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
120-teeth spur gear (Type C)	3D printing service	1	0.5 module, 6 mm face width, with mounting key, bearing housing, and bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
20-teeth long spur gear	3D printing service	1	0.5 module, 21.5 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
144-teeth bevel gear	3D printing service	1	0.5 module, 7 mm face width, with mounting keyways, as shown in Figure 2, with the STL file provided
Bearing (37 mm O.D and 30 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	5	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (12 mm O.D and 6 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (32 mm O.D and 25 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	1	Bearing size and supplier can be varied
Bearing (8 mm O.D and 5 mm I.D)	Bearing Station Ltd., UK	2	Bearing size and supplier can be varied
Plastic/metal shaft (6 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M6 bolt and a nut
Plastic/metal shaft (5 mm O.D, 70 mm long)	TR Fastenings Ltd., UK	1	e.g. Could be an M5 bolt and a nut
Ball-spring pairs	WDS Ltd., UK	4	Numbers of ball-spring pairs could varied to adjust the triggering force of the clutch
Clutch covers	3D printing service	2	104 mm O.D, 5mm face width, 6 mm bore, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed shaft collar	3D printing service	1	35 mm O.D and 30 mm I.D, 8mm face width, as shown in Figure 2, with the STL file provided
3D-printed end-effector collar	3D printing service	1	As shown in Figure 2, with the STL file provided
Small geared stepper motors	AOLONG TECHNOLOGY Ltd., China	14	Part number: GM15BYS; Internal gear ratio 232:1 or 150:1, all acceptable